1硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　本串口服務(wù)器采用Philips的ARM7系列芯片LPC2210，網(wǎng)絡(luò)控制芯片采用RTL8019,串口采用TL16C554芯片擴(kuò)展。為得到更廣泛的應(yīng)用，串口端還擴(kuò)展485接口，通過跳線選擇232/485方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　串口服務(wù)器軟件系統(tǒng)包括兩部分：TCP/IP協(xié)議棧的移植和實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用程序。μC/OS-Ⅱ在LPC系列ARM中的移植采用周立功公司的方案。

　　2.1TCP/IP協(xié)議棧的移植

　　LWIP是瑞士人AdmaDumkels等開發(fā)的源代碼開放的精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧。目的是在于保證TCP協(xié)議完整的情況下減少系統(tǒng)資源的需求，適合于資源較少的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。移植LWIP協(xié)議棧主要有兩部分代碼：(1)編寫操作系統(tǒng)模擬層相關(guān)代碼;(2)LWIP接口初始設(shè)置及網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。

　　2.1.1操作系統(tǒng)模擬層相關(guān)代碼

　　操作系統(tǒng)模擬層存在的目的主要是在μC/OS-Ⅱ和LWIP之間提供一座橋梁，使LWIP能與μC/OS-Ⅱ能以相同的規(guī)范存在于一個(gè)系統(tǒng)中并能相互通信。LWIP有信號(hào)量和郵箱兩種進(jìn)程通訊方式，而μC/OS-Ⅱ也提供這兩種進(jìn)程通訊方式。

　　信號(hào)量用來同步任務(wù)，操作函數(shù)有sys_new_sem(建立并返回一個(gè)新信號(hào)量),sys_sem_signal(指定要發(fā)送的信號(hào)量),sys_sem_free(指定要釋放的信號(hào)量),sys_arch_sem_wait(等待由參數(shù)sem指定的信號(hào)量并阻塞線程),在這些函數(shù)體中進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化并加入μC/OS-Ⅱ中的相關(guān)函數(shù)便可完成。

　　郵箱用來投遞消息，LWIP允許將郵箱實(shí)現(xiàn)為一個(gè)隊(duì)列，多條消息投遞到這個(gè)郵箱。

　　μC/OS-Ⅱ提供了豐富的消息隊(duì)列函數(shù)，且μC/OS-Ⅱ和LWIP投遞到郵箱中的消息均用指針實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)建立了多個(gè)郵箱，郵箱通過單向鏈表接在一起。接收消息的最大數(shù)量由消息數(shù)組決定，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2郵箱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

　　郵箱建好后用指針P_Mbox指向節(jié)點(diǎn)1,申請(qǐng)新郵箱將節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2斷開，P_Mbox指向節(jié)點(diǎn)1的pstNext,以此類推?；厥諘r(shí)P_Mbox的移動(dòng)方向與申請(qǐng)時(shí)相反，這樣不會(huì)浪費(fèi)內(nèi)存且比較穩(wěn)定。由以上結(jié)構(gòu)和μC/OS-Ⅱ提供的函數(shù)寫出郵箱相關(guān)函數(shù)。

　　除此之外，還需要編寫任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)sys_thread_new和sys_arch_timeouts函數(shù)，由于每個(gè)任務(wù)都有timeouts鏈表，sys_arch_timeouts函數(shù)返回的sys_timeouts結(jié)構(gòu)保存了timeouts鏈表的首地址。

　　2.1.2LWIP初始化設(shè)置及底層驅(qū)動(dòng)

　　LWIP的初始化設(shè)置包含在LWIP通信進(jìn)程的入口函數(shù)中，其入口函數(shù)LwipEntry的基本結(jié)構(gòu)如下：

　　Void Lwip Entry(void 3 pvArg)

　　{

　　//初始化LW IP,涉及LWIP使用的內(nèi)存區(qū)，PCB(TCP/UDP)以及OS模擬層各個(gè)方面

　　__ilvInitLwip();

　　//設(shè)置LW IP,包括添加配置網(wǎng)絡(luò)接口，建立接受任務(wù)等工作

　　__ilvSetLwip();

　　//在這里建立LWIP的應(yīng)用，服務(wù)器支持TCP/UDP方式，兩種方式都建立

　　}

　　底層驅(qū)動(dòng)在服務(wù)器每次收發(fā)數(shù)據(jù)中都要調(diào)用，這部分代碼需要有良好的健壯性和穩(wěn)定性。整個(gè)實(shí)現(xiàn)順序，如圖3所示。

圖3底層程序框架圖

　　發(fā)送主線首先是以太網(wǎng)初始化函數(shù)(1)開始，調(diào)用鏈路層發(fā)送函數(shù)(2)并增加各層協(xié)議頭，再調(diào)用RTL8019發(fā)送函數(shù)(9)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　接收主線除初始化以太網(wǎng)外，需調(diào)用鏈路層初始化函數(shù)(3),(3)中調(diào)用(4)初始化RTL8019。

　　收到的數(shù)據(jù)先經(jīng)過函數(shù)(8),然后通過信號(hào)量傳送到函數(shù)(6),由(6)調(diào)用(7)得到數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，最后由(5)根據(jù)以太網(wǎng)幀頭攜帶的上層協(xié)議類型判斷是交給IP協(xié)議還是ARP協(xié)議處理。

　　移植完畢，進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用TCP傳輸協(xié)議，由網(wǎng)口虛擬串口軟件VSPM通過串口調(diào)試工具收發(fā)數(shù)據(jù)，圖4是以10ms的發(fā)送速度在自發(fā)自收程序中收發(fā)數(shù)據(jù)的截圖。

圖4TCP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸界面

　　由于COM1和COM2被PC機(jī)占用，故由網(wǎng)口虛擬出來的串口是COM3,由圖4可看出在面向連接的TCP協(xié)議下，高速收發(fā)數(shù)據(jù)不會(huì)丟包。

　　2.2實(shí)時(shí)多任務(wù)方案的設(shè)計(jì)

　　16個(gè)串口分別與網(wǎng)絡(luò)端口組成16個(gè)雙向通道。為使代碼靈活、透明，程序不使用LWIP提供的SOCKETAPI。應(yīng)用程序把每個(gè)雙向通道分為發(fā)送，接收，串口3個(gè)任務(wù)，加上LWIP本身需占用一個(gè)任務(wù)，共需建立49個(gè)任務(wù)。μC/OS-Ⅱ最多能建立64個(gè)任務(wù)，其中8個(gè)操作系統(tǒng)本身占用，剩56個(gè)能滿足要求。由VSPM軟件把網(wǎng)口模擬成16個(gè)串口，串口服務(wù)器偵聽的16個(gè)端口分別是1000～1015,如圖5所示。

圖5網(wǎng)口虛擬擴(kuò)展16個(gè)串口界面

　　網(wǎng)絡(luò)端和串口端的數(shù)據(jù)接收會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的中斷。每個(gè)雙向通道的3個(gè)任務(wù)各司其職，網(wǎng)口端接收數(shù)據(jù)中斷后在傳輸層協(xié)議判斷信源的端口號(hào)，交給相應(yīng)的接收任務(wù)，處理完后交給串口任務(wù)把數(shù)據(jù)從相應(yīng)串口發(fā)送;串口接收數(shù)據(jù)后在中斷程序中判斷信源的通道號(hào)，把數(shù)據(jù)交給串口任務(wù)，處理完后由發(fā)送任務(wù)通過網(wǎng)口把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　服務(wù)器支持TCP/UDP兩種傳輸協(xié)議，下面給出一個(gè)通道的TCP傳輸流程圖，UDP部分代碼只需在相應(yīng)任務(wù)中調(diào)用LWIP給的UDP函數(shù)。TCP模式下串口服務(wù)器工作在Server模式，PC機(jī)工作在Client模式，流程圖，如圖6所示。

圖6串口服務(wù)器單通道程序流程圖

　　3.結(jié)論

　　文中本服務(wù)器是以性能不及ARM9且不能使用Linux的ARM7為主控芯片，但兩種開源代碼μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)和LWIP協(xié)議棧的有效結(jié)合避免了高額的軟件費(fèi)用，而且能滿足通信要求。實(shí)驗(yàn)證明，基于LWIP和μC/OS-Ⅱ的串口服務(wù)器不僅能實(shí)現(xiàn)雙向通信，而且傳輸數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，符合工業(yè)應(yīng)用的要求。